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核弹的引爆原理

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核弹,也叫“原子弹”,是通过把核燃料(铀235或钚239)压缩到一起,整体质量超过临界质量后,铀原子释放的中子会撞击别的铀原子并且撞击会导致裂变过程,而裂变会释放更多的中子来撞击更多的铀原子——这个过程,也就是链式反应,会在极短的时间里完成,导致大量的铀原子发生裂变,释放大量能量带来爆炸效果。而爆炸瞬间产生的大量高速中子流和放射性粉尘则会带来各种附加的杀伤效果。

要制作核弹,首先要能得到铀235或者钚239。铀235在地壳的存量非常稀少,但铀238在地壳的存量则大得多。据说铀矿里的铀99.7%都是铀238,由此可见铀235非常稀少。此外,后者是前者的同位素,化学性质完全相同,但后者不能用来做成核燃料,因为铀238的核释放出来的中子不会被其它铀238的原子核吸收,从而无法引起链式反应。

铀235原子约比铀238原子轻1.3%,用物理方式分离的话,据说难度很大。不过还是有人找出了办法,就是把它做成六氟化铀,六氟化铀很容易弄成蒸汽状态。使六氟化铀蒸汽通过一层多孔的网之后,铀235就会跑到稍微靠前一点的位置。让六氟化铀通过这种多孔的网上千次后,你就能得到纯度较高的六氟化铀形式的铀235了。之后还得做成铀单质,不然不会发生链式反应。

核弹的引爆方式是一个非常讲究的东西。如果只是简单地把两块接近临界质量的核燃料放到一起,它们在靠近的时候产生的微小爆炸就会把两块核燃料弹开,并且这还会损失核燃料。必须要以尽可能快的速度把尽可能多的核燃料挤到一起,并且还不能让它们轻易弹开,不然链式反应就会反应得不够彻底——只有一部分核燃料爆炸了,其它的却被弹飞了。

在广岛爆炸的“小男孩”是枪式结构,它是把一块接近临界质量的铀做成一个圆筒状,然后把另一块接近临界质量的铀做成圆柱形。这个圆筒的铀正好能套住这个圆柱形的铀,这样只需要用烈性炸药把圆柱形的铀炸到圆筒里,它们就不会轻易分开从而发生剧烈的链式反应——然而根据当量和理论公式计算出来的结果来看,这种方式浪费了95%的铀235.只有相当于5%的铀235裂变的能量变成了可见的核爆当量。

这种方式不仅利用率低,而且它还有个缺陷,就是你只能使用两块接近于临界质量的核燃料来制造爆炸,这使得核弹的爆炸威力受到了限制。对于这个的解决方案,是使用内爆式结构。内爆式结构是把多个小于临界质量的核燃料,置于球形的TNT炸药的内部,然后用电雷管从多个角度引爆TNT,使得整个TNT球能同时爆炸。这样,四面八方而来的爆炸冲击就能把分散的核燃料炸到一起,使其挤压变成一个整体。再在这个时候用一个可控的中子源突然对这坨远大于临界质量的核燃料进行强烈的中子轰击,就能快速引发整个核燃料的链式反应。这种方式不仅解决了核弹的威力限制问题,而且还能更高效率地利用核燃料。在长崎爆炸的“胖子”就是这种结构。但“胖子”用的核燃料是钚239。

通常情况下铀235的临界质量是18公斤。但如果你有“中子反射层”这种东西可以把它幅射出来的中子反弹回去的话,你只需要10公斤就可以引发链式反应。铀235的提纯十分困难而且地壳内的存量非常稀少,搜集核燃料变得非常昂贵。对此,一个取代方案是使用钚239来作为核燃料。

钚239并不是自然存在的元素,它是人造的。把铀238集中到一起的时候可以做成反应堆,它会因为裂变反应而放热,可以用来烧水。能烧水你就能得到蒸汽,有了蒸汽你就能发电。核电站就是这么回事儿。

反应堆里面的铀238在吸收了中子后会变成铀239,铀239会在大约半小时内衰变成镎239,然后镎239大概要花个四五天来衰变成钚239。因为铀238远比铀235好找,有了这种方式就可以借助反应堆用铀238来制取钚239。至于如何分离钚239和铀238呢?小事。它们不是同位素,化学性质不同。因此用化学的办法就能简单分离。

铀235的辐射需要3米厚的水泥墙才能阻挡,不过,它从人体外对人体进行辐射的话,对人造成的伤害较低。但人如果吸入了铀化合物蒸汽或粉尘,它们进入人体内就会对人带来巨大的伤害。

氢弹。核聚变武器。其实人类发现聚变反应的时间比发现裂变链式反应的时间早,但氢弹的发明时间晚。要让氘和氚的原子核合体,变成一个氦核,这个过程需要非常巨大的压力,这种压力很难简单实现。氢弹的原理是类似于内爆式结构的核弹,但它用的不是TNT球,而是一个均匀分布了小型原子弹的球。球的里面是氘和氚。引爆氢弹的过程,是先引爆这个球上的所有小型原子弹,让它们一起起爆。这时产生的巨大的向内的压力,就能把氘和氚压成氦。聚变的过程会产生巨量的中子,以及,爆炸威力。和原子弹相比,氢弹有个优势就是它那个球的结构,你可以想做多大就做多大。氘和氚你想填多少你就能填多少,而不像原子弹那样起爆前你不能把铀块靠得太近。

但你肯定不能直接拿气态的氘和氚做核燃料,因为密度太低了。美国试爆的第一颗氢弹,用降温的方法,把氘和氚降温到液态。但整个氢弹本身,外加冷却装置,总共有六十多吨,别说“扔”了,运输都是个问题。
好在有人发现用氘化锂和氚化锂也能引起核聚变,而这俩玩意儿在常温下它也是固态的。密度足够大,并且经过试验据说也确实产生了额外的爆炸威力——也就是它们聚变了。所以现在的氢弹基本都是用氘化锂和氚化锂做核燃料。

另外,核聚变产生的巨量中子,其实是可以利用起来的。在氢弹的那个球的外面再包一层铀238,氢弹爆炸的时候,这些飞散的中子猛烈轰击铀238的原子核导致铀238裂变,能大大提升威力。也就是说氢弹的核聚变反应也可以被用于当作“催化剂”来让铀238也发生聚变。氢弹的这种特性——先引爆铀235裂变弹,再发生聚变,最后再引爆外层的铀238外皮,它有个别名叫“三相弹”。



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